数控车床的典型故障分析及解决方案设计.docx
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数控车床的典型故障分析及解决方案设计
数控车床的典型故障分析及解决方案设计
任务书
1．课题意义及目标
通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对车床的学习，了解车床的工作原理及故障分析，结合某车床，针对其常见故障，提出故障解决的方案。
2．主要任务
（1）本设计要求学生在对车床的整体结构熟悉的基础上，能够完成典型故障的分析。
（2）通过对典型故障的分析，综合故障类型，提出一般故障的解决方案，
（3）本设计要求在实验台上进行验证。
3．主要参考资料
[1]赵太平.CAK6150数控车床故障诊断系统的研究[D].上海交通大学.2007.
[2]李勇.影响数控凸轮轴磨削加工精度若干因素的研究[D].华中科技大学.2004.
[3]朱仕学.数控机床调试与维护[M]．北京清华大学出版社．2010．
[4]李虹.数控机床调试与维修[M]．沈阳高等职业教育书.2012.
[5]龚仲华.数控机床故障诊断与维修500例[M]．北京机械工业出版社．2006．
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅参考文献进行开题报告
2014.12.10至12.30
2
了解数控车床结构，实验室进行各类故障分析
2014.12.02至04.13
3
设计故障并提出解决方案且在实验台上验证
2015.04.14至05.15
4
撰写毕业论文，依据导师意见反复修改
2015.05.16至05.31
5
整理毕业设计相关资料，准备毕业答辩
2015.06.01至06.18
审核人：
年月日
数控车床的典型故障分析及解决方案设计
摘要：
数控车床在现代化的机械制造企业中是一种必需的重要设备。
数控的维修技术水平的高低对数控车床的有效利用具有直接影响。
作为现代企业生产中不可或缺的关键设备，如果发生故障停机，就会产生巨大的影响和损失。
本课题对数控机床、数控车床以及数控车床故障实验台进行介绍，着重讨论了数控故障诊断基础，研究了数控车床常见故障产生的原因以及诊断与排除的方法，最后介绍了数控车床故障诊断与维修现场的应用实例，对了解数控车床的一些常见故障提供参考。
关键词：
数控机床,数控车床,故障诊断,伺服
TheAnalysisofTypicalFailureandSolutionDesignofNumericalControlLathe
窗体顶端
窗体底端
Abstract:
NClathe is a kind of important equipment in modern mechanical manufactur-ing enterprises. The level of maintenance about CNC has a direct impact on the efficiency of NC lathe. As an indispensable equipment in modern enterprises, it will cause enormous influences or losses in the event of downtime.
ThisprojectintroducesCNCmachinetools,CNClatheandthefaultedexperimentalstationofCNClathe.AnditemphaticallydiscussesthebasisofNCdistributedfaultdiagnosisandstudiesthecausesofcommonfaultsandthemethodofdiagnosisandexclusion.Finally,theapplicationexampleofthefaultdiagnosisandon-siterepairsofnumericalcontrollatheisintroduced,whichprovidesmarkerstounderstandsomecommonfaultsofCNClathes.
Keywords:
CNCmachinetools,CNClathes,Faultdiagnosis,Servo
1绪论
1.1数控车床简介
数控技术是20世纪中期发展起来的机床控制技术，从字面上就可以理解它是一种自动控制技术，其工作原理是利用数字化的信号对机床的运动及其加工过程进行控制。
数控机床就是装备了数控系统的机床。
它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。
数控机床包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。
本课题主要研究对象为数控车床，故其他机床不做介绍。
下图是为某一型号车床。
图1.1ck6136数控车床
数控车床通常是具有垂直轴X和水平轴Z的两轴数控机床。
数控车床区别于数控铣床的主要特征是零件围绕着数控机床主轴中心线旋转。
另外刀具通常是固定不动的，并安装在移动的可旋转刀架上。
加工时刀具由刀架带动沿着编制好的刀具路径进行切削运动。
现代车床设计成卧式或立式两种形式。
数控车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。
配备多工位刀塔或动力刀塔，机床就具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。
数控车床加工能够比较较好的解决许多零件加工问题，是一种非常高效率的自动化机床，对于单件以及小批量零件的加工，尤其显示出数控车床特有的灵活性，总而言之，数控车床加工有以下优点：
1.提高加工精度，结构上引入滚珠丝杆、采用软件精度补偿技术、加工全程由程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响，尤其提高同批零件加工的一致性，使产品质量更稳定;
2.提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，节约时间与资金;
3.可加工形状复杂的零件，如螺旋浆;
4.减轻了劳动强度，改善了劳动条件;
5.有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。
但是数控车床加工也存在着以下缺点：
1.由于费用高昂，加工大批量零件不利;
2.操作人员要求素质高，工资成本高;
3.系统复杂,修理复杂,维护费用高,需要好的工作环境。
在使用数控车床之前，应该仔细阅读车床使用说明书和其他有关资料，以便正确操作使用，并且注意以下几点：
1.车床操作、维修人员必须是掌握相应车床专业知识的专业人员或经过技术培训的人员，而且必须按安全操作规程及规定操作车床；
2.不是专业人员是不允许打开电柜门的，打开电柜门之前需确认已经关掉车床电源开关。
只有专业维修人员才可以打开电柜门，进行检修；
3.除了一些供用户使用并可改动的参数外，其他系统参数，用户不能修改，否则将会带来各种意外伤害；修改参数后，在进行第一次加工时，车床要在不装刀具和工件的情况下用车床锁住、单程序段等方式进行试运行，确认车床正常后方可使用车床；
4.车床的PLC程序是车床制造商按车床需要设计的，不需要修改。
不正确的修改、操作车床可能造成车床的损坏，甚至伤害操作者；
5.建议车床连续运行不超过24小时，如果连续运行时间太长将会影响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响车床的加工精度；
6.车床全部连接器、接头等，严禁带电拔、插操作，否则会引起严重后果。
1.2数控加工概念
首先，想要知道数控车床一般的故障出现在什么地方或者是如何去解决问题，就必须得熟练的了解数控车床的工作原理及特点等相关知识，这样当我们在遇到这些问题的时候就能得心应手。
数控车床的工作原理就是将加工过程所需要的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液）和步骤，一级工件的形状尺寸用数字化代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入到数控装置，数控装置对输入的信息进行处理和运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动原件，使机床自动加工出所需的工件。
因此，数控加工的关键在于加工数据和工艺参数的获取，以及数控编程。
数控加工一般包括以下这几个内容：
1.分析图纸，明确哪一部分需要数控加工；
2.利用图形软件对需数控加工的部分造型；
3.根据加工条件，设计加工参数，利用数控系统生成加工轨迹；
4.轨迹的仿真检验；
5.生成G代码；
6.传给机床加工。
机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控车床需求强劲,数控车床产业恰逢很好的发展机遇。
我国数控车床行业面临极为严峻的挑战和竞争,迫切要求缩短与日本、美国、瑞士等国之间的差距。
主要表现为:
高速度、高精度方面;机床的可靠性方面;外观及制造精度方面;自我开发力、产品开发周期方面;整个社会的配套化、专业化方面。
随着科学技术和社会生产技术的不断发展，对数控车床的可信性要求越来越高。
机械造技术有了深刻的变化。
数控车床是机电一体化的典型产品，数控车床是机械制造的主要标志之一。
数控车床的自动控制系统表现在：
数控系统根据数控加工程序，生成各种信息和指令，控制车床的主轴运动、进给运动及辅助运动等。
数控车床出现故障且得不到及时维修，会给使用单位造成巨大的损失。
1.3课题研究背景及意义。
数控车床是技术含量很高的自动化机床。
加强对数控车床常见故障的研究，探讨和掌握现代化数控车床的常见故障诊断技术和维修技术，能够及时有效的处理各种数控车床的故障，提高数控车床的工作效率和质量，提高企业的经济效益和综合效益。
因而，加强数控车床常见故障和排除措施的研究是非常必要的。
数控车床的应用越来越广泛，其加工柔性好，精度高，生产效率高，具有很多的优点，但数控车床是复杂的大系统，它涉及光、机、电、液等很多技术，发生故障也是难免的，机械锈蚀、机械磨损、机机械失效，电子元器件老化、插件接触不良、电流电压波动、温度变化、干扰、噪声，软件丢失或本身有隐患、灰尘等，但由于技术越来越先进、复杂，且我国从事数控车床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控车床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的完整的理论体系。
因此对维修人员要求他们具有较深的专业知识和丰富的维修经验，在数控车床出现故障才能及时排除。
所以要求数控车床维护人员不仅要有机械加工工艺以及液压气动方面的知识，还要具备电子计算机、自动控制、驱动及测量技术等方面的知识，这样才能全面的了解和掌握数控车床，及时搞好维修保养工作。
1.4本课题研究内容
1.了解数控加工概念，数控车床的构造，工作原理及使用方法，明确数控车床加工过程。
2.在了解数控车床的组成结构和工作原理的基础上分析一些简单的典型故障。
3.总结处理常见数控车床故障的一些方法。
4.对数控车床故障诊断实验台进行学习，研究实验台故障点，故障的设计原理，并举例进行验证。
2数控车床故障分类及故障分析
数控车床是一种技术含量高且较复杂的机电一体化设备，其故障发生的原因一般都较复杂，给数控车床的故障诊断也排除带来了不少困难。
为了便于故障分析和处理，数控车床的故障大体上可以分为以下几类。
2.1数控车床故障分类
1.主机故障和电气故障。
一般来讲，数控车床的机械故障，相对而言可以直观的看出来，比较容易排除，电气故障就比较复杂。
电气故障按部位基本上可分为电气部分故障、伺服放大及位置检测部分故障、计算机部分故障和主轴控制部分故障。
至于编程而引起的故障，大多是由于考虑不周或输入失误造成的，只需按提示修改即可。
（1）主机故障。
数控车床的主机部分，主要包括机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等装置。
常见的主机故障主要表现为因机械组装、调试、工作人员操作不当等引起的机械传动故障与导轨运动摩擦过大故障等。
故障表现为传动噪声大，运行阻力大，加工精度差等。
（2）电气故障。
①机床本体上的电气故障。
此种故障首先可利用机床自诊断功能的报警号提示，查阅梯形图或检查i/o接口信号状态，根据机床维修说明书所提供的图纸、资料、排故流程图、调整方法并结合工作人员的经验检查。
②篷悯服放大及检测部分故障。
此种故障主要利用计算机自诊断功能的报警号，计算机各板上的信息状态指示灯，各关键测试点的波形、电压值，各有关电位器的调整，各断路销的设置，有关机床参数值的设定，专用诊断组件，并参考计算机控制系统维修手册、电气图等加以诊断及排除。
上述故障可总结到表2.1。
表2.1数控车床机械方面故障
故障现象
故障原因
排除方法
1.加工工件尺寸超过公差0.02-0.05之间
（1）丝杠间隙过大；
（2）联接销松动。
（1）适当调整丝杠间隙或在程序中采用间隙补偿；
（2）紧固联接销。
2.拖板在运行中突然停止运动
（1）丝杠卡住；
（2）拖板、导轨太脏；
（3）拖板塞铁变形，松紧不一；
（4）纵向采用普通丝杠时开合螺母跳开；
（5）切削过深，进给太快。
（1）检查丝杠卡住原因，清洁丝扛；
（2）清洁导轨、加油润滑；
（3）修配塞铁，调整塞铁间隙；
（4）调整开合螺母；
（5）减少切削深度，或减低进给速度。
3.加一工有台阶或槽类零件时，纵向尺寸超差太大
纵向用普通丝杠的开合螺母磨损严重，或丝杠螺母向隙太大。
调整纵向丝杠螺母副间隙，或更换开合螺母。
4.加工出的零件径向跳动量过大
（1）车床主轴径跳超差；
（2）卡盘不磨损，产生喇叭口。
（1）调整主轴轴承间隙；
（2）用电动或风动砂轮夹在刀架上，修磨卡盘爪口。
5.工件在同一直径上，径向尺寸有变化
工件热处理调质硬度太硬或硬度不均匀。
遇到这种情况时，会使车刀容易钝或经常崩刀，需重新对工件进行热处理。
6.电动转换刀架不能转动
（1）电动刀架的主轴螺母锁死；
（2）刀具撞刀后，刀架主轴变形、螺杆卡死。
（1）调整刀架主轴锁紧螺母；
（2）拆出刀架主轴、传动蜗杆，进行校直，正确安装。
7电动刀架的刀位经常冲过头
（1）刀杆过长或太重；
（2）反靠定位销弹簧疲劳失效；
（3）反靠定住销卡死。
（1）尽量缩短刀杆伸出的长度，减轻力杆重量，更换电动力架内弹性大一些的定位销弹簧；
（2）更换新的是定位销弹簧；
（3）修复是定位销，使之灵活。
故障现象
故障原因
排除方法
8.换刀信号正常，电气控制失灵，刀架不能稳定工作
故障原因
（1）刀架体内太脏；
（2）刀架体撞刀后变形；
（3）刀具夹紧力太大，刀台变形。
（1）拆开清洗，转动部位注油润滑；
（2）重新修正装配刀架体；
（3）调整刀具夹紧力，避免刀台变形
表2.2数控车床电气方面故障
故障现象
故障原因
排除方法
1.步进电机噪声大，并有卡死现象
（1）步进电机轴承坏，缺油卡死;
（2）拆装不当。
（1）更换轴承，加油润滑；
（2）重新拆装步进电机齿轮箱，注油润滑。
2.程序执行中，显示突然消失返回监控状态
（1）装置接地线松动，在强磁场干扰下失控；
（2）电网电压波动太大。
（1）重新进行良好接地；
（2）可加装稳定装置。
3.电源开关一合上，功放开关尚未闭合时，某方向上的步进电机就被锁死
对应方向上的步进电机的功放驱动板上的大功率管被击穿。
分析大功率管被击穿原因，更换损坏无件。
4.某方向上的加工尺寸不稳定，时有失步
方向步进电机的阻尼盘磨损或阻尼盘螺母松脱。
调整步进电机后端盖内的阻尼盘螺母，松紧合适。
5.大功率管经常被击穿
（1）大功率管质量差或大功率管的推动级中某元件损坏；
（2）电机线圈释放回路障碍；
（3）装置的维护保养差；
（4）机箱过热。
（1）选用质量好的大功率管替换推动级中损坏元件；
（2）检修释放回路，更换被损坏元件；
（3）加强对功放驱动板等装置的清洁保养，尤其是加工铸铁件时；
（4）经常保养轴流风机，保证机箱通风良好。
故障现象
故障原因
排除方法
6.某方向上步进电机剧烈抖动而不能运转
（1）电机断相；
（2）某相功放驱动板损坏。
（1）检修电机播座；
（2）更换损坏的功放驱动板。
7.电动刀架不动
（1）刀架驱动电机相序反或缺相；
（2）微机未发出要刀信号。
（1）调换相序，检查保险丝及电机线路；
（2）检查程序是否正确和微查接口线路。
8.电动刀架连续转动而不停
（1）刀架刀位信号未发生；
（2）线路未通或按钮短路。
（1）检查发信盘弹性片触头，修复或换新；
（2）发信盘地线断路将其接通；检查按钮线路，修复。
9.刀架转不到位
刀架发信装置螺母松动，使发信盘触点与弹性片触点错位。
重新调整后，固紧螺母。
10.刀架的刀位冲过头
刀架信号选择角度超前。
调整信号选择位置，锁紧母。
11.刀架某刀位不动
（1）接口管烧坏或断线；
（2）霍尔元件引线与磁钢碰线。
（1）更换管子或连接好断线；
（2）检查霍尔元件与磁纲线路情况，排除故障。
2.显示故障和无显示故障。
以故障产生时有无自诊断显示来区分这两类故障。
（1）有报警显示故障。
现在的数控系统具有自诊断功能，可以显示出多种报警信号。
其中，大部分是CNC系统自身的故障报警，有的是数控车床制造厂利用操作者信息，把机床的故障也显示在显示器上，根据报警信号能容易地找到故障和排除故障。
但是，这里讲的是比较容易的情况。
有很多情况是虽然有报警显示，但并不是报警的真正原因。
（2）无报警显示故障。
数控机床产生的的故障还有一种情况，那就是无任何报警显示，但机床却是在不正常状态。
往往是机床停在某一位置上不能正常工作，甚至连手动操作都失灵。
维修人员只能根据故障产生前后的现象来分析判断，排除这类故障是比较困难的。
3.破坏性故障和非破坏性故障。
以故障产生时有无破坏性而将故障分为破坏性故障和非破坏性故障。
（1）破坏性故障。
此类故障的产生会对机床的操作者造成侵害，导致机床损坏或人身伤害，如飞车、超程运动、部件碰撞等。
这些破坏性故障往往是人为造成的。
破坏性故障产生之后，维修人员在进行故障诊断时，绝不允许重现故障。
（2）非破坏性故障。
此类故障比较好处理，往往通过系统“清零”即可消除。
4.交流主轴控制系统故障。
（1）系统故障。
此故障是指只要满足一定的条件，机床或控制系统就必然出现的故障。
如，网络电压过高或过低，系统就会产生电压过高报警或电压过低报警；切削用量安排得不合适，就会产生过载警报等。
（2）随机故障。
此类故障是指在同样条件下，只出现一次或两次故障。
要想人为地使其出现相同的故障则是不太容易的，有时很长时间也难再遇到一次。
这类故障的诊断和排除都是很困难的。
比如，一台数控机床本来正常工作，突然出现主轴停止时产生漂移，停电后再进电，漂移现象仍不能消除。
调整零漂电位器后现象消失，这显然是工作点漂移造成的。
因此，排除此类故障应经过反复实验，综合判断。
有些数控机床采用电磁离合器变档，离合器剩磁也会产生类似的现象。
2.2数控车床的故障分析
1.数控车床步进电机常见故障及分析
数控车床步进电机在运行的过程中经常会很多故障，故障总结如下：
（1）电机不运转：
①驱动器无直流供电电压；
②驱动器保险丝熔断；
③驱动器报警（过电压，欠电压，过电流，过热）；
④驱动器与电机连线断线；
⑤驱动器使能信号被封锁；
⑥接口信号线接触不良；
⑦驱动器电路故障；
⑧电机卡死或者出现故障；
⑨电动机生锈；
⑩指令脉冲太窄，频率过高，脉冲电平太低。
（2）电机启动后堵转：
①指令频率太高；
②负载转矩太大；
③加速时间太短；
④负载惯量太大；
⑤直流电源电压降低。
（3）电机运转不均匀，有抖动：
①指令脉冲不均匀；
②指令脉冲太窄；
③指令脉冲电平不正确；
④指令脉冲与驱动器不匹配；
⑤脉冲信号存在噪声；
⑥脉冲频率与机械发生共振。
（4）电机定位不准：
①加减速时间太小；
②存在干扰噪声；
③系统屏蔽不良。
（5）电机过热：
①工作环境过于恶劣，环境温度过高；
②参数选择不当，如电流过大，超过相电流；
③电压过高。
（6）工作过程中停车：
①驱动电源故障；
②电动机线圈匝间短路或接地；
③绕组烧坏；
④脉冲发生电路故障；
⑤杂物卡住。
（7）噪声大：
①低频共振区；
②纯惯性负载，正反转频繁。
（8）失步或者多步：
①负载过大，超过电动机承载能力；
②负载忽大忽小；
③负载的转动惯量过大，启动是失步、停车时过冲；
④传动间隙大小不均；
⑤传动间隙产生的零件有弹性变形；
⑥电动机工作在震荡失步区；
⑦电路总清零使用不当；
⑧干扰。
（9）无力或者是出力降低：
①驱动电源故障；
②电动机绕组内部发生错误；
③电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落；
④电动机轴断；
⑤电动机定子与转子之间的气隙过大；
⑥电源电压过低。
2.数控车床刀具常见故障及分析
图2.1CK50CNC换刀装置
CK50CNC换刀装置如图2.1所示，常见换刀装置故障包括以下几点：
加工程序结束运行后，刀具没有回到零点。
出现这一故障的主要原因是有控制系统的故障导致的。
以为数控车床在运行中要采取低速运转的方式加工零件，所以步进电机的转速也会降低，在对零件加工完毕后，想要刀具回到零点就要提升步进电机的转速，所以步进电机由低速变为高速的过程中增加了输出转矩，驱动电压处于高压的状态，开关三极管控制着驱动电源，如果这一部件出现了问题，就无法实现高压的状态，所以就会出现刀具不能回到零点的状况。
数控车床加工完毕后，刀具返回出现越位现象，这种现象主要是由于机械传动系统遭受到过大的运行阻力造成的。
所以对于这种故障就要先对传动齿轮进行清查，查看是否有杂质堵塞齿轮，然后对溜班镶条的松紧进行检查。
3.刀架换刀和定位故障及分析
最易发生故障的部位是转塔刀架，为提高数控车床的可靠性，减少故障的发生，必须首先解决刀架故障问题。
（1）刀架不到位或过位。
其原因可能有以下几种：
因为这类数控车床刀架采用的是液压马达驱动，刀架同轴装有星轮，而且星轮上装有一个置零开关，当置零开关压下时，PLC中的刀库计数值即回零。
当所选刀号和计数值一致时，刀架落下，压合复位开关。
经分析后得知，造成刀架不到位或过位的第一个原因就是液压马达流量的变化及液压不稳定，第二个原因则是正反转的时间常数没有调整好，第三个原因是星轮及计数开关没有调整好，再者就是电源工作不正常。
在列出了可能造成上述故障的原因之后，就应着手研究排除这些故障的方法。
对于上述的几个故障原因可分别采取相应的对策来解决。
对于第一种原因可采用调节液压流量的方法来控制刀架转位的幅度刀架转过头可将流量适当调小；如转不到位，可适当调大。
对于第二种原因，应通过键盘重点调整正反转的时间常数。
如果正转转过头，反转转不到位，可将正转时的延时时间调小，反转延时时间调大，并可再适当调整流量的大小。
对于第三种原因可从调节星轮及计数开关的位置着手，观察故障有无排除。
对于最后一种原因，即电源不正常造成的故障原因，通常是由于刀架在工作时，通过许多电磁阀的通断电来完成一系列抬起、旋转、落下的动作。
如果此时电源的容量不足，电磁铁不能充分吸合，那么流量不足，刀架动作较慢而不能到位。
事实上，在一次此类故障发生后的检查中，曾出现整流电源的一个二极管烧坏，使全波整
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